一个博士生成功设计了时间机器，就缺两辆无限长的车了|论文推荐

在 BBC 剧集《神秘博士》中，主角使用 Tardis 进行时空穿梭。图片来源：Babbel1996 / Wikimedia Commons, CC BY-SA

来源 Conversation

撰文 Gaurav Khanna

翻译 戚译引

时间旅行的概念总是吸引着物理学家和爱好者的想象力，但它真的可能实现吗？当然可以。我们现在就在做这样的事情，我们都在一秒钟又一秒钟地走向未来。

但这并不是你想象的情形。我们可以走得更远吗？绝对可以。如果我们可以接近光速，或者在黑洞附近旅行，时间就会减慢，让我们可以到达任意远的未来。真正有趣的问题是，我们能否回到过去。

我是位于达特茅斯的马萨诸塞大学（University of Massachusetts）的物理学教授。7 岁那年，从卡尔·萨根（Carl Sagan）的经典电视节目《宇宙》（Cosmos，1980）中，我第一次了解到时间旅行的概念。我当时就决定将来要深入研究这个充满了创造性的卓越理论：爱因斯坦的相对论。二十年后，我带着博士学位迈入这个领域，从此积极地投入对这一理论的研究中。

现在，我的一位博士生刚刚在《经典与量子引力》（Classical and Quantum Gravity）期刊上发表了一篇论文，描述了如何建造时间机器，而且只需要一种非常简单的结构。

封闭类时间曲线

爱因斯坦的广义相对论允许将时间扭曲到很高的程度，使其发生折叠，从而产生一个时间回路（time loop）。想象你正沿着这个回路旅行，那么在某个时刻，你会来到在过去的某个时刻，经历同样的事件，周而复始——这有点像“似曾相识”（ deja vu），只是你不会意识到这一点。这些结构在研究文献中通常被称为封闭类时间曲线（closed time-like curves，CTC），并且通常被称为“时间机器”。时间机器是超光速旅行方案的副产品，理解它们可以促进我们对宇宙如何运作的理解。

图中就是一个时间回路。绿色显示通过虫洞的路径，红色显示了正常空间的长路径。由于绿色路径上的行进时间与红色相比可能非常小，因此虫洞可以允许时间旅行。图片来源：Panzi, CC BY-SA

在过去的几十年里，基普·索恩（Kip Thorne）和斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）等著名物理学家就与时间机器相关的模型进行了开创性的工作。

过去的研究得出的一般结论，包括索恩和霍金的理论，都认为自然禁止了时间回路的发生。霍金的“时序保护猜想”（Chronology Protection Conjecture）可能最好地解释了这一点，该理论认为大自然不允许改变其过去的历史，从而使我们免于时间旅行可能引发的悖论。

在由时间旅行而引发的悖论中，最为人所知的或许是所谓的“祖父悖论”，即时间旅行者回到过去谋杀自己的祖父。这以一种矛盾出现的方式改变了历史进程：旅行者从未出生，因此不可能存在。许多电影和小说利用这一悖论构建情节，例如《回到未来》和《土拨鼠日》。

奇异物质

不同的物理现象可能以不同的机制阻止了物理系统中封闭类时间曲线的形成。最常见的限制条件是需要存在特定类型的奇异物质，才能形成时间回路。不那么严格地说，奇异物质是具有负质量的物质，然而问题在于在自然界中不存在负质量。

但是，有一种时间机器模型不需要任何具备负质量的特殊材料，并且设计非常简单。它由马萨诸塞州达特茅斯大学（University of Massachusetts）的博士生卡罗琳·马拉里（Caroline Mallary）提出，相关论文发表于《经典与量子引力》（Classical and Quantum Gravity）期刊。

马拉里的模型由两辆并行停放的超长车组成，车由非奇异物质的材料制成。一辆车快速向前移动，另一辆车停在原地。马拉里证明，在这样的设置中，可以在汽车之间的空间中找到时间回路。

动图显示了马拉里的时间回路的工作原理。随着航天器进入时间回路，其未来的自我也会出现，并且在这之后的每一个时刻，我们都可以追溯两者的位置。动画采用了外部观察者的视角，观察者正在观察宇宙飞船进入时间回路，然后再次出现。来源：Conversation

咱能在自家后院建一个吗？

如果你怀疑这里有个坑，那么你是对的。马拉里的模型要求每辆车的中心具有无限密度，这意味着它包含着一种名为奇点的物体，具有无限的密度、温度和压力。此外，马拉里模型中的奇点与黑洞内部存在的奇点不同，黑洞中的奇点在外部完全无法获得，而马拉里模型中的奇点完全是裸露的、可观察的，因此具有真实的物理效果。

物理学家也不指望自然界中会存在如此奇特的物体，所以很抱歉，时间机器一时还用不上。然而这项工作表明，在为什么不可能存在封闭类时间曲线这个问题上，物理学家可能需要重新审视自己的想法。

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论文信息

【标题】Closed Timelike Curves and "Effective" Superluminal Travel with Naked Line Singularities

【作者】Caroline Mallary, Gaurav Khanna, Richard Price

【期刊】Classical and Quantum Gravity

【时间】12 Jul 2018

【DOI】10.1088/1361-6382/aad306

【摘要】We examine closed timelike curves (CTCs) and "effective" superluminal travel in a spacetime containing naked line singularities, which we call "wires". Each wire may be straight-line singularity or a ring singularity. The Weak Energy Condition (WEC) is preserved in all well-defined regions of the spacetime. (The singularities themselves are not well-defined, so the WEC is undefined there, but it is never explicitly violated.) Parallel to the wire, "effective" superluminal travel is possible, in that the wire may be used as a shortcut between distant regions of spacetime. Our purpose in presenting the superluminal aspects of the wire is to dispel the commonly held view that explicit WEC violation is necessary for effective superluminal travel, whereas in truth the strictures against superluminal travel are more complicated. We also demonstrate how the existence of such "wires" could create CTCs. We present a model spacetime which contains two wires which are free to move relative to each other. This spacetime is asymptotically flat: It becomes a Minkowski spacetime a finite distance away from each of the wires. The CTCs under investigation do not need to enter the wires' singularities, and can be confined to regions that are weak-field: This means that if these wires were physically possible, they would present causality problems even in nonsingular, energetically realistic regions of the spacetime. We conclude that the Weak Energy Condition alone is not sufficient to prevent superluminal travel in asymptotically flat spacetimes.

【链接】https://arxiv.org/abs/1708.09505 

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